物联网终端技术研究：Wi-Fi技术发展与应用

1.Wi-Fi技术简介

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）属于无线局域网的一种，通常是指符合IEEE802.11b标准的网络产品，Wi-Fi可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式相互连接。

通常人们会把Wi-Fi及IEEE802.11混为一谈，甚至将Wi-Fi等同于无线网际网络。但实际上Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有，其目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互通性，保障使用该商标的商品互相之间可以合作。因此Wi-Fi可以看作是对IEEE802.11标准的具体实现。但现在人们逐渐习惯用Wi-Fi来称呼802.11协议，已经成为802.11协议的代名词。

当前越来越多的家用电器及电子产品开始支持Wi-Fi功能。Wi-Fi的普及以及相关软件的发展将会使家用电器完成功能上的飞跃。通过网络将各种家电连接，可实现功能上的重构和资源的再配置。随着网络的普及和推广，将局域网中的各种带有网络功能的家用电器通过无线技术连接成局域网络，并与外部Internet相连，构成智能化、多功能的现代家居智能系统将会成为新的流行趋向。

2.Wi-Fi技术标准

Wi-Fi技术标准按其速度和技术新旧可分为JEEE802.11a，IEEE802.11b，JEEE802.11g，IEEE802.11n和IEEE802.11ac等。

按照802.11发布的先后，可认为自1997年最早出现的802.11标准算作第一代，速率仅仅为2Mbps，到第五代802.11ac，通信速率已经达到1.3Gbps，期间经过了近十几年时间。

第一代Wi-Fi 802.11-1997：最先提出的Wi-Fi标准是802.11-1997，速度只能达到1～2Mbps，可以被Infrared（红外传输）、FHSS（调频扩频技术）、DSSS（直接序列扩频技术）替代。速率过低加上传输器和接收器价格相当昂贵，以至该标准并未得到推广。直到1999年，802.11a/b 的推出，Wi-Fi技术才得到认准。

第二代Wi-Fi 802.11a/b：在1999年，802.11a/b标准面世。其中，802.11a采用5GHz频率，速度达到54Mbps，但存在覆盖范围小，穿透性差的缺点；802.11b继承DSSS技术，工作频段在2.4GHz，速率达到11Mbps，但仍存在抗干扰性差的缺点。虽然仍存在不足，但802.11a/b无论从速率还是价格上都相比前一代Wi-Fi标准有了很大的进步，移动性网络的优势也得到显现，因此第二代Wi-Fi很快就受到消费者喜爱，尤其是802.11b。

第三代Wi-Fi 802.11g：随着以太网速率的不断升级，802.11标准也不断改进。2003年，802.11g标准面世，其工作在2.4GHz频段，能兼容802.11b，采用OFDM调制技术，与802.11a调制方式相同，便于双频产品的设计，速率能达到54Mbps，同时在价格上只略高于802.11b标准产品，可为用户提供更高性能、更低价格的无线网络。在同样达到54Mbps的数据速率时，802.11g的设备能提供大约两倍于802.11a设备的距离覆盖。因此802.11g得到市场的快速接纳。

第四代Wi-Fi 802.11n：2009年，IEEE正式通过802.11n标准。得益于将MIMOC多入多出）与OFDM（正交频分复用）技术相结合而应用的MIMO-OFDM技术，在传输速率方面，802.11n可以将WLAN的传输速率由目前802.11a及802.11g提供的54Mbps，提高到300Mbps甚至高达600Mbps。在覆盖范围方面，802.11n采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让WLAN用户接收到稳定的信号，并可以减少其他信号的干扰。在兼容性方面，802.11n采用了一种软件无线电技术，其是一个完全可编程的硬件平台，能使不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容，这意味着802.11n不仅能向前后兼容，而且可以实现WLAN与无线广域网络的结合，比如3G。目前802.11n已经成为主流标准，D～Link、Airgo、Bermai、Broadcom以及杰尔系统、Atheros、思科、Intel等厂商推出的无线网卡、无线路由器等产品，已经大量应用在PC、笔记本电脑中。

第五代Wi-Fi 802.11ac：IEEE标准协会从2008年起开始推动802.11ac 5G Wi-Fi标准的拟定，虽然完整的官方标准预计要到2013年第一季度才能面世，但很多芯片、路由器、网关等硬件设备厂商已经开始了相关产品的研发。802.11ac标准实现高达1.3Gbps的传输速率，是802.11n最高速率的3倍，满足高清视频播放要求；可同时容纳更多的接入设备，提升网络覆盖范围，有效减少网络盲区；功耗上仅为之前产品的1/6，带给用户更好的移动体验。随着应用需求的驱动部署，向802.11ac演进的通道已开启，在芯片厂商的不断创新下，成本不断降低，相关设备商不断跟进推出802.11ac产品，规模化普及不断加速。

3.Wi-Fi技术优势

Wi-Fi技术具有如下五大技术优势：

（1）无线电波覆盖范围广，因基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径只有大约15m，而Wi-Fi的半径则可达100m左右，有的Wi-Fi交换机甚至能够把无线网络接近100m的通信距离扩大到约6500m。

（2）传输速度非常快，可达到11Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖范围内，允许用户在任何时间、任何地点访问网络。随时随地享受诸如网上证券、视频点播（VCD）、远程教育、视频会议、网络游戏等一系列宽带信息增值服务，并实现移动办公。(www.xing528.com)

（3）厂商进入该领域的门槛比较低，厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将Internet接入上述场所，就可以利用“热点”将无线电波覆盖到距接入点数十米至百米的地方。用户的支持无线LAN的笔记本电脑或PDA进入区域内，即可高速接入Internet。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。

（4）健康安全，IEEE802.11规定的发射功率不可超过100mW，实际发射功率约60～70mW，而手机的发射功率约200mW～1W，手持式对讲机高达5W。与后者相比，Wi-Fi产品的辐射更小。

（5）目前Wi-Fi应用已经非常常见。支持使用Wi-Fi的电子产品越来越多，像手机、MP4、电脑等，基本上已经成为主流标准配置，而且由于Wi-Fi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖，适合充当家庭中的主导网络，家里的其他具备Wi-Fi功能的设备，如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等都可通过Wi-Fi建立通信连接，实现整个家庭的数字化与无线化，使人们的生活变得更加便捷与丰富。

4.Wi-Fi的工作方式

使用Wi-Fi联网的两种工作方式主要有点对点和基本模式两种。

（1）点对点模式。Wi-Fi联网的点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式，即一台装配了无线网卡的电脑或移动计算终端（部分智能手机或平板电脑）连接进行通信，针对小型无线网络，这是一种方便的互联方案。这一点和在有线网络中将两台电脑直接使用网线连接起来的方式很类似。

（2）基本模式。与点对点模式不同的，基本模式指无线网络的扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这是Wi-Fi目前最常用的方式。此时，装载无线网卡的电脑或移动计算终端（部分智能手机或平板电脑）需要通过接入点（无线Access Point，AP）才能与另一台电脑进行连接，由接入点负责频段管理及漫游等指挥工作，就如大家使用带Wi-Fi功能的路由器进行联网一样。在宽带允许的情况下，一个Wi-Fi接入点最多可支持1024个无线接入点的接入。当无线节点增加时，网络传输速度会随之变慢。

现在Wi-Fi技术比较成熟，从目前的实际使用情况来看，点对点以及基本模式都有运用。其基本模式经常被用来作为有线网络的有力补充，比如咖啡厅、商场里面提供的免费Wi-Fi上网服务就是采用这一模式。

在物联网的应用中，智能物体一般嵌入Wi-Fi模块，主要有被动型串口设备联网和主动型串口设备联网等工作方式。

（1）被动型串口设备联网。被动型串口设备联网指在系统中所有设备一直处于被动的等待连接状态，仅由后台服务器主动发起与设备的连接，并进行请求或下传数据的方式。

典型的应用，如某些无线传感器网络，每个传感器终端始终实时地在采集数据，但是采集到的数据并没有马上上传，而是暂时保存到设备中。而后台服务器则周期性地每隔一段时间主动连接设备，并请求上传或下载数据。此时，后台服务器实际上作为TCP Client端，而设备则是作为TCP Server端。

（2）主动型串口设备联网。主动型串口设备联网指由设备主动发起连接，并与后台服务器进行数据交互（上传或下载）的方式。典型的主动型设备，如无线POS机，在每次刷卡交易完成后即开始连接后台服务器，并上传交易数据。在主动型串口设备联网中，后台服务器作为TCP Server端，设备通过无线AP路由器接入到网络中，将其作为TCP Client端。

5.局域网络中的Wi-Fi的实现

为了实现局域网内部网络与外部Internet相连互通，在局域网内网和外部Internet之间需要一个局域网网关。该网关是整个局域网无线网络系统的中心部分，它一方面完成局域网无线网络中各种不同通信协议之间的转换和信息共享，且同外部网络进行数据交换，另一方面还负责对局域网中网络终端进行管理和控制。局域网中的网络终端也通过这个网关与外部网络连通，实现交互和信息共享。同时，该网关还具有防火墙功能，能够避免外界网络对局域网内部网络终端设备的非法访问和攻击。

在局域网中，Wi-Fi多应用在各种无线终端和局域网网关上。我们可以使用个人电脑、手持网络终端或者遥控器与局域网网关进行连接，并通过局域网网关对无线终端实施各种有效的管理和控制。因此，可以采用客户—服务器体系结构。网关充当服务器的角色，控制设备对无线终端的控制也通过网关完成，这有利于实现胖服务器—瘦客户端的结构。